第12章 模拟量与数字量的转换
12.1 学习要求
(1)理解数模与模数转换的基本原理.
(2)了解常用数模与模数转换集成芯片的使用方法.
12.2 学习指导
本章重点:
(1)数模转换器的工作原理.
(2)模数转换器的工作原理.
本章难点:
(1)逐次逼近型模数转换器的构成.
(2)逐次逼近型模数转换器的工作原理.
本章考点:
(1)T型电阻网络数模转换器的分析.
(2)数模转换器输出电压的计算.
12.2.1 数模转换器
数模转换器是将一组输入的二进制数转换成相应数量的模拟电压或电流输出的电路,工作原理是将每一位二进制数按其权的大小转换成相应的模拟量,然后将代表各位的模拟量相加,使所得的总模拟量与数字量成正比.数模转换器实质上是由二进制数字量控制模拟电子开关,再由模拟电子开关控制电阻网络与运算放大器组成的模拟加法运算电路.
1.T型电阻网络数模转换器
如图12.1所示为4位T型电阻网络数模转换器电路,由T型电阻网络,模拟电子开关,运算放大器和基准电压等部分组成.T型电阻网络可应用戴维南定理和叠加定理逐步化简,从而求得输出电压为:
图12.1 T型电阻网络数模转换器
如果输入的是n位二进制数,且,则:
2.倒T型电阻网络数模转换器
如图12.2所示为4位倒T型电阻网络数模转换器电路,输出电压为:
如果输入的是n位二进制数,且,则:
图12.2 倒T型电阻网络数模转换器
12.2.2 模数转换器
模数转换器是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出的电路,结构类型很多.常用的逐次逼近型模数转换器的分辨率较高,转换误差较低,转换速度较快,一般由顺序脉冲发生器,逐次逼近寄存器,数模转换器和电压比较器等几部分组成,如图12.3所示.
图12.3 逐次逼近型模数转换器的原理框图
逐次逼近型模数转换器的工作原理类似于用天平称量物体的质量.转换开始前先将所有寄存器清零.开始转换以后,时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1,使输出数字为100…0.这个数码被数模转换器转换成相应的模拟电压uo,送到比较器中与ui进行比较.若,说明数字过大,故将最高位的1清除;若,说明数字还不够大,应将最高位的1保留.然后,再按同样的方式将次高位置成1,并且经过比较以后确定这个1是否应该保留.这样逐位比较下去,一直到最低位为止.比较完毕后,寄存器中的状态就是所要求的数字量输出.
12.3 习题解答
12.1 常见的数模转换器有那几种 其各自的特点是什么
解 数模转换器可分为二进制权电阻网络数模转换器和T型电阻网络数模转换器(包括倒T型电阻网络数模转换器)两大类.权电阻网络数模转换器的优点是电路结构简单,可适用于各种有权码,缺点是电阻阻值范围太宽,品种较多,要在很宽的阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是极其困难的,因此在集成数模转换器中很少采用权电阻网络.T形电阻网络数模转换器的优点是它只需R和2R两种阻值的电阻,这对选用高精度电阻和提高转换器的精度都是有利的.
12.2 某个数模转换器,要求10位二进制数能代表0～50V,试问此二进制数的最低位代表几伏
分析 数模转换器输入二进制数的最低位代表最小输出电压.数模转换器最小输出电压(对应的输入二进制数只有最低位为1)与最大输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)的比值为数模转换器的分辨率.
解 由于该数模转换器是10位数模转换器,根据数模转换器分辨率的定义,最小输出电压uomin与最大输出电压uomax的比值为:
由于V,所以此10位二进制数的最低位所代表的电压值为:
(V)
12.3 在如图12.4所示的电路中,若,,其最大输出电压uo是多少
图12.4 T型电阻网络数模转换器
分析 数模转换器的最大输出电压是输入二进制数的所有位全为1时所对应的输出电压.
解 如图12.4所示电路是4位T型电阻网络数模转换器,当时,其输出电压uo为:
显然,当d3,d2,d1,d0全为1时输出电压uo最大,为:

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